Влияние дефектов на работоспособность сварных соединений

1. КУРС ЛЕКЦИЙ-ПРЕЗЕНТАЦИЙ по дисциплине «Проектирование сварных конструкций» лекция №16

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
к.т.н., ст. преп. кафедры «ОиТСП»
БЕНДИК Татьяна Ивановна
1

2. СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ

2
СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ
Тема 10. Влияние дефектов на работоспособность
сварных соединений.
Классификация дефектов и их влияние на прочность сварных
соединений.
Проблема учета влияния дефектов (непровар, поры, смещение
кромок и др.) на прочность сварных соединений.
Допустимые уровни дефектности.
Примеры оценки работоспособности сварных соединений с
различного рода дефектами на основе конечно-элементных
математических моделей.

3.

В сварных соединениях элементов конструкций встречаются дефекты,
возникающие в процессе изготовления и монтажа конструкции. Появление
дефектов связано с различного рода нарушениями технологии изготовления
(некорректные режимы сварки, неудовлетворительная подготовка и зачистка
кромок,) нерациональная разделка кромок.

4.

5.

6.

7.

В промышленности существуют нормативы по допустимым отклонениям,
которые регламентируют допуски на величину и тип дефекта в сварных соединениях.
Однако эти допуски установлены исходя из технологических возможностей
предприятий и не имеют количественного обоснования с позиций несущей
способности, прочности и пластичности сварного соединения. Практика эксплуатации
сварных конструкций требует учета влияния величины и типа дефекта на прочность и
несущую способность конструкций.
Все дефекты представляют собой естественные надрезы различной
геометрической формы – концентраторы напряжений немеханического происхождения.
Для оценки влияния дефектов шва на служебные характеристики сварных соединений
необходимо располагать данными о чувствительности металла сварного шва к
дефектам. Под чувствительностью к дефектам понимают степень снижения
механических характеристик сварного шва в зоне дефекта по сравнению с
бездефектным швом. Различают чувствительность при статических и переменных
нагрузках. При статических нагрузках за критерий чувствительности к дефекту
принимают прочность соединения с дефектом по отношению к бездефектным
соединениям. При переменных нагрузках критерием чувствительности соединений к
дефектам являются эффективные коэффициенты концентрации К - отношение
пределов выносливости сварных соединений без дефектов и с заданными дефектами.
Одним из методов оценки чувствительности сварных соединений к дефектам при
статических нагрузках можно назвать испытание на статическое растяжение сварных
стыковых соединений без усиления с непроваром корня шва, получаемого при сварке
без зазора между стыкуемыми кромками.

8.

Если прочность соединения (P/F0) при
указанном испытании с увеличением
глубины
непровара
изменяется
пропорционально уменьшению рабочего
сечения стыкового соединения, то
металл
шва
не
чувствителен
к
дефектам при статических нагрузках
(рис. 8.1, прямая). В этом случае дефект
следует рассматривать как фактор,
уменьшающий рабочее сечение детали на
величину,
пропорциональную
соответствующей глубине непровара.
Чувствительными к дефектам при
статических нагрузках следует считать
сварные
соединения,
у
которых
прочность металла шва с непроваром
снижается
непропорционально
изменению глубины непровара (рис. 8.1,
кривая). В
этом случае непровар
необходимо рассматривать как фактор,
уменьшающий сечение шва, и как
концентратор
напряжений.
Чувствительность соединений будет также
зависеть
от
соотношения
между
прочностью металла шва и основного
металла.
1000
Р
Р
750
500
250
0
10 20 30 40 50 60 70 80
%
Глубина непровара
Рис. 8.1. Зависимость прочности стыкового сварного
соединения от непровара корня шва при растяжении
Данная методика оценки чувствительности
металла шва рекомендована для сварных
конструкций балочного, стержневого типов,
работающих в условиях статического
нагружения. Следует отметить, что сварные
соединения, нечувствительные к дефектам
при статическом нагружении, могут оказаться
чувствительными при переменных нагрузках.

9.

НЕПОЛНОЕ ПРОПЛАВЛЕНИЕ (НЕПРОВАР) в стыковых соединениях может
возникать в середине сечения при двусторонней сварке или в корне шва при
односторонней сварке, как без подкладки, так и на формирующей подкладке, за счет
неравномерного ее прилегания.
В сварных соединениях, не чувствительных к непровару при статическом
нагружении, ослабление сечения шва может быть скомпенсировано выпуклостью
шва. Например, выпуклость шва в стыках труб из низкоуглеродистой стали с
кольцевым непроваром по всей длине в корне шва при статических нагрузках
полностью компенсирует ослабление сечения, создаваемое непроваром до 20 % от
толщины стенки трубы.
Сварные соединения, не чувствительные к непровару при статических
нагрузках, могут снижать статическую прочность при многослойной сварке при
низких температурах (- 60 - 70 0С). Это связано с повторным нагревом, который
создает местную термопластическую деформацию и старение металла. В местах
непровара снижается запас пластичности – охрупчивание, что ведет к резкому
снижению прочности. При проектировании конструкций, работающих при
переменных нагрузках, необходимо учитывать различную чувствительность
соединений к дефектам в зависимости от технологии сварки, свойств основного и
присадочного металлов (табл. 8.1).

10.

Если непровар расположен в поле остаточных напряжений растяжения, то
предел выносливости может снизиться в 2 раза по сравнению с пределом
выносливости стыковых соединений с непроваром, расположенным в
поле сжимающих напряжений. Так как установить знак и величину остаточных
напряжений в любой точке шва достаточно трудно, предлагается полагать
наличие дефекта в зоне наибольших растягивающих напряжений.

11.

Возникновение пор наиболее вероятно в сварных швах алюминиевых, титановых
сплавов. Поры могут быть в виде сфер, трубчатой формы, что характерно для
углеродистых сталей, либо не иметь правильной геометрической формы, если они
сопровождаются оксидными включениями.
Расположение пор в сварном шве (рис. 8.2) существенным образом зависит от
свариваемого металла и технологии сварки. Различают единичную пористость
(расстояние между порами больше трех диаметров наибольшей поры), пористость в
виде цепочки пор (расстояние между порами меньше трех диаметров наибольшей
поры), скопления неслившихся пор и слившиеся поры.
неполное
полное
проплавление
наплыв
проплавление
проплавление
на подкладке
металла
Рис. 8.2. Места концентрации пор в сварных швах

12.

При оценке влияния пористости на механические свойства сварных соединений
необходимо знать чувствительность металла шва к дефектам в зоне соединения,
теоретические коэффициенты концентрации напряжений пор Кп и теоретический
коэффициент концентрации формы шва Кф. Для сферических (единичных) пор,
не выходящих на поверхность, Кп = 2,05. Для цепочек пор неправильной
геометрической формы Кп = 3 – 6.
2b
ρ
Кф
4,0
ρ
2b
3,0
2,0
1,0
0
10
20
30
40
50
60
Рис. 8.3. Зависимость Кф от параметров шва
70
80
b/ρ
Теоретический коэффициент концентрации
формы шва Кф зависит от геометрии шва.
Наименьшей концентрацией напряжений
обладают стыковые швы, при наличии
усиления и подварочного шва при
растяжении Кф =1,5 – 1,6.
Технология сварки и толщина металла
оказывают основное влияние на величину
радиуса сопряжения ρ между усилением
(проплавом) и поверхностью основного
металла (рис. 8.3). Ширина шва 2b и высота
выпуклости изменяют Кф в меньшей степени.

13.

При оценке влияния пористости на прочность сварных конструкций, работающих при
переменных нагрузках, определяющим фактором должна являться концентрация,
вызванная геометрией шва. В случае, если Кф> Кп , пористость не снижает несущую
способность конструкции.
Если в стыковых соединениях выпуклость шва полностью удалить (Кф = 1), то при
переменных нагрузках даже самые мелкие сферические поры вызывают снижение
выносливости соединений, которое в зависимости от пористости может составить
35 – 60 %.
При статических нагрузках влияние пористости на прочность проявляется в
значительно меньшей степени, чем при вибрационных нагрузках. В стыковых
соединениях из низкоуглеродистых или аустенитных сталей без выпуклости
пористость, ослабляющая сечение шва до 7 % (к площади сечения основного
металла), прочности не снижает. У высокопрочных сталей снижения прочности не
наблюдается при наличии пористости в 5 %.

14.

СМЕЩЕНИЕ КРОМОК В СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
При осевом растяжении сварных стыковых соединений со смещением кромок (рис.
8.4) напряжения на участке сопряжения основного металла с металлом шва могут
значительно превышать номинальное значение в результате появления из
изгибающего момента от эксцентричного приложения усилия и увеличения
теоретического коэффициента концентрации формы шва Кф. Это связано с
уменьшением радиуса кривизны в зоне сопряжения наплавленного и основного
металла (смещение кромок 25 – 30 %). Напряжения в зоне сопряжения могут быть
рассчитаны по формуле
мах н
Δ*
н
s
Рис. 8.4. Смещение кромок в стыковом соединении
Р
- номинальное напряжение, определяемое по
F0 сечению основного металла от действующего
усилия.
Теоретический коэффициент концентрации
сварного стыкового соединения может быть
определен из формулы
α= Кф + Ксм,
где Ксм = 1 + 3Δ – теоретический
коэффициент концентрации стыкового шва,
зависящий от смещения кромок; Δ = Δ*/s –
относительное смещение кромок.

15.

Степень влияния смещения кромок на прочность сварных соединений зависит от
характера действующих нагрузок и чувствительности металла шва к концентраторам
напряжений. При статических нагрузках смещение кромок не оказывает
существенного влияния на прочность.
Для соединений из низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм смещение кромок до
60% от толщины листа не снизило прочность соединения, для соединения из сплава
АМг6 той же толщины, чувствительного к концентраторам-дефектам, снижение
прочности проявляется при смещении кромок свыше 30 %. При вибрационных
нагрузках смещение кромок существенно снижает прочность соединения, причем
снижение выносливости напрямую зависит от величины смещения кромок и
определяется теоретически
c
R
R0
Rc , R0
1
К см
- пределы выносливости стыкового соединения со смещением кромок
и без смещения кромок соответственно.
Необходимо отметить, что при изготовлении сварных конструкций
смещение кромок до 10 %, как правило, всегда имеет место

16.

К дефектам типа включений относят шлаковые включения, оксидные пленки,
вольфрамовые включения. Наибольшее влияние на концентрацию напряжений
оказывают оксидные включения – соизмеримо с непроваром. Влияние шлаковых
включений существенным образом зависит от их размера и количества.
Концентрация напряжений, вызванная отдельными включениями или группой, не
образующей сплошной шлаковой линии ( К = 1,5 – 1,6), подавляется концентрацией
напряжений, вызванной формой шва. При наличии сплошной шлаковой линии, что
связано с грубым нарушением технологии сварки,К = 3,1.
Включения, как и поры, начинают снижать выносливость при коэффициенте
концентрации формы шва Кф = 1, что приводит к выводу – основное влияние на
усталостную прочность сварных стыковых соединений со шлаковыми включениями
оказывает форма стыкового шва. Необходимо отметить, что стыковые соединения,
сваренные на остающейся подкладке, значительно снижают выносливость по
сравнению с нормальным двусторонним швом. Эффективный коэффициент
концентрации для таких соединений не зависимо от наличия дефектов составляет 2,5.

17.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
КАКИЕ БУДУТ ВОПРОСЫ?